侯 冰 宋振云 賈建鵬 蘇偉東 王 迪

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249；2. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 陜西西安 710016；3. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-二氧化碳?jí)毫言霎a(chǎn)研究室 陜西西安 710016；4. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司蘇里格氣田研究中心 陜西西安 710016； 5. 中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 北京 100083)

中國(guó)致密砂巖氣資源豐富，對(duì)其進(jìn)行高效勘探開(kāi)發(fā)有利于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。致密砂巖氣藏具有低滲透率、低孔隙度的特點(diǎn)，常規(guī)開(kāi)采效益較低[1-2]，但利用超臨界二氧化碳流體進(jìn)行儲(chǔ)層壓裂改造有利于提高單井產(chǎn)量。為了深入探討超臨界二氧化碳相較于滑溜水、瓜膠等其他壓裂液在裂縫起裂和縫網(wǎng)形態(tài)上的優(yōu)勢(shì)，就必須研究其對(duì)砂巖性質(zhì)的改造。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)二氧化碳對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行了大量研究。宋土順 等[3]研究了水熱條件下二氧化碳流體與巖屑長(zhǎng)石砂巖的相互作用，發(fā)現(xiàn)溶蝕主要發(fā)生在砂巖低能位和晶格缺陷位置，形成次生孔隙，同時(shí)產(chǎn)生水鋁礦和黏土礦物的次生沉淀物。Oikawa等[4]實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)在超臨界二氧化碳作用下Berea砂巖的抗壓強(qiáng)度、楊氏模量與泊松比降低；趙仁保 等[5]發(fā)現(xiàn)二氧化碳溶蝕導(dǎo)致原生孔隙擴(kuò)大并產(chǎn)生次生孔隙，使得巖石抗拉及抗壓強(qiáng)度下降，滲透率增加，彈性模量的變化則較為復(fù)雜；朱子涵等[6]發(fā)現(xiàn)礦物溶蝕和沉淀作用是二氧化碳作用下儲(chǔ)層巖性改變的直接原因。在二氧化碳?jí)毫逊矫?，Ishida[7]研究了超臨界及超臨界二氧化碳?jí)毫鸦◢徥瘞r樣的聲發(fā)射響應(yīng)情況，結(jié)果顯示超臨界二氧化碳更容易形成三維裂縫，而這兩種都比水基壓裂液效果更好。二氧化碳?jí)毫严噍^于水力壓裂起裂壓力更低,因此蘇偉東 等[8]將干法二氧化碳?jí)毫褢?yīng)用于蘇里格氣田取得了增產(chǎn)效果。

高溫高壓三軸實(shí)驗(yàn)是研究地層條件下二氧化碳對(duì)致密砂巖巖石力學(xué)性質(zhì)影響最有效、最直觀(guān)的方法之一，前人開(kāi)展的擬三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究是將超臨界二氧化碳浸泡與巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試分離進(jìn)行，難以避免溫壓變化會(huì)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。筆者采用致密砂巖露頭開(kāi)展高溫高壓真三軸巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)比多種不同流體和溫壓條件下巖石力學(xué)參數(shù)變化，重點(diǎn)研究不同地層條件下超臨界二氧化碳對(duì)致密砂巖巖石力學(xué)參數(shù)的影響，以期為超臨界二氧化碳?jí)毫言O(shè)計(jì)提供參考。

1 致密砂巖高溫高壓真三軸實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備及實(shí)驗(yàn)裝置

試件由致密砂巖露頭加工而成。室內(nèi)鉆取巖心柱試樣，在室溫、10 MPa圍壓及無(wú)孔隙流體注入條件下測(cè)得抗壓強(qiáng)度為160.0 MPa，楊氏模量為23.34 GPa，泊松比為0.32，脆性指數(shù)為0.52。

實(shí)驗(yàn)裝置是采用RTR-1500高溫高壓巖石三軸儀，最高加載溫度200 ℃，最大加載圍壓140 MPa，最大孔隙壓力140 MPa，最大軸向靜態(tài)壓力1 000 kN，最大軸向動(dòng)態(tài)壓力800 kN，最大試樣直徑54 mm，可滿(mǎn)足7 000 m以深高溫高壓地層巖石力學(xué)參數(shù)及特性評(píng)價(jià)要求，可以獲得彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、體積模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、滲透率以及P波和S波的波速等各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)。超臨界CO2孔隙壓力加載原理如圖1所示。

圖1 超臨界二氧化碳孔隙壓力加載原理示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置4組，使用巖心9塊，重點(diǎn)研究不同飽和流體、地層溫度、圍壓、孔壓對(duì)致密砂巖巖石力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律的影響。實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)力加載模式，每次手動(dòng)加載0.5 MPa，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

注：括號(hào)代表使用前述巖心編號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及影響因素分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)前后巖心裂縫形態(tài)對(duì)比如圖2所示，可以看出：對(duì)于巖心1-1，實(shí)驗(yàn)前巖心端面、巖體均沒(méi)有明顯裂紋，實(shí)驗(yàn)后巖心呈現(xiàn)劈裂破壞，裂紋角度大約59.5°，端面裂紋不明顯；對(duì)于巖心1-2，實(shí)驗(yàn)前巖心端面、巖體均沒(méi)有明顯裂紋，實(shí)驗(yàn)后巖心呈現(xiàn)劈裂破壞，并且呈現(xiàn)兩條裂紋交錯(cuò)的情況，裂紋角度分別為74.5°和76.0°，端面偏中心處有明顯裂紋；對(duì)于巖心1-3，實(shí)驗(yàn)前巖心端面、巖體均沒(méi)有明顯裂紋，實(shí)驗(yàn)后巖心呈現(xiàn)劈裂破壞，裂紋角度大約65.6°，端面裂紋不明顯；對(duì)于巖心2-2，實(shí)驗(yàn)前巖心端面、巖體均沒(méi)有明顯裂紋，實(shí)驗(yàn)后巖心呈現(xiàn)劈裂破壞，裂紋不太規(guī)則，裂紋角度大約74.1°，端面裂紋不明顯；對(duì)于巖心2-3，實(shí)驗(yàn)前巖心端面、巖體均沒(méi)有明顯裂紋，實(shí)驗(yàn)后巖心呈現(xiàn)劈裂破壞，裂紋角度大約66.5°，端面裂紋不明顯；巖心3-1實(shí)驗(yàn)后從2個(gè)端面出現(xiàn)了1條貫穿的裂縫；巖心3-2實(shí)驗(yàn)后出現(xiàn)了一條與端面呈大約60°角的破裂面；巖心3-3實(shí)驗(yàn)后出現(xiàn)了一條與端面呈大約60°夾角的裂縫面。第4組巖心照片缺省，裂縫規(guī)律基本一致。

圖3展示了第1組實(shí)驗(yàn)砂巖巖心的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，根據(jù)曲線(xiàn)可以求得巖心的強(qiáng)度參數(shù)(其余3組實(shí)驗(yàn)有類(lèi)似的曲線(xiàn)關(guān)系)。從圖3可以看出，所有巖樣的徑向變形速度都要大于軸向變形速度；全應(yīng)變曲線(xiàn)變化趨勢(shì)表明，隨著載荷逐漸增加，巖樣經(jīng)歷了硬化—線(xiàn)彈性形變—非線(xiàn)性形變—破壞的過(guò)程；由軸向應(yīng)力與體積應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)可以看出，隨著載荷的繼續(xù)增加，巖樣體積開(kāi)始增加，出現(xiàn)“容脹”現(xiàn)象。根據(jù)徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線(xiàn)可以求得該巖樣的泊松比，進(jìn)而可以求得巖心剪切模量，即

G=E/[2(1+μ)]

(1)

式(1)中：G為剪切模量，GPa；E為彈性模量，GPa；μ為泊松比。

脆性指數(shù)計(jì)算公式為

IB=B1+B2

(2)

式(2)中：IB為脆性指數(shù)；B1為峰值應(yīng)變指數(shù)；B2為峰后曲線(xiàn)應(yīng)變指數(shù)[9]。

2.2 飽和流體對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

基于本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4-6,10-14]可知，飽和流體的差異會(huì)對(duì)砂巖的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，主要表現(xiàn)在對(duì)砂巖中黏土的作用，超臨界二氧化碳飽和孔隙會(huì)在巖石內(nèi)部產(chǎn)生一定量的微孔隙、微裂縫，破壞巖石結(jié)構(gòu)，從而降低包括抗壓強(qiáng)度、楊氏模量在內(nèi)的力學(xué)參數(shù)，而泊松比和脆性指數(shù)會(huì)增加。流體對(duì)巖樣巖石力學(xué)性質(zhì)的影響結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出：①水飽和時(shí)的巖樣楊氏模量得到提高，而超臨界二氧化碳飽和則會(huì)顯著降低巖樣的楊氏模量，降低近6%；②巖樣經(jīng)過(guò)水飽和與超臨界二氧化碳飽和均可以提高泊松比，而且在超臨界二氧化碳環(huán)境下泊松比提高幅度要比水更大，增大近53%；③在水和超臨界二氧化碳環(huán)境下，巖樣抗壓強(qiáng)度都會(huì)降低，而且在超臨界二氧化碳環(huán)境下抗壓強(qiáng)度降低幅度要比水更大，降低近15%；④砂巖中飽和水和超臨界二氧化碳環(huán)境下，其脆性指數(shù)都會(huì)增加，而且在超臨界二氧化碳環(huán)境下脆性指數(shù)提升幅度要比水更為顯著，提升近53%。

圖2 實(shí)驗(yàn)前后巖心對(duì)比及裂縫示意圖

圖3 第1組實(shí)驗(yàn)巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

巖心編號(hào)流體楊氏模量/GPa泊松比抗壓強(qiáng)度/MPa脆性指數(shù)1-1無(wú)23.340.32160.00.5169221-2H2O23.730.42153.30.6004031-3SC-CO222.040.49135.50.790147

2.3 溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

表3 受溫度影響的巖石力學(xué)參數(shù)

溫度對(duì)超臨界二氧化碳下巖樣巖石力學(xué)性質(zhì)的影響結(jié)果見(jiàn)表3，可以看出：①溫度較低(50～70 ℃左右)時(shí)超臨界二氧化碳對(duì)巖樣的楊氏模量影響不大，而溫度較高(100 ℃左右)時(shí)超臨界二氧化碳會(huì)顯著提高巖樣的楊氏模量；②溫度升高會(huì)降低巖樣的泊松比；③溫度較低(50～70 ℃左右)時(shí)超臨界二氧化碳對(duì)巖樣的抗壓強(qiáng)度影響不大，而溫度較高(100 ℃左右)時(shí)超臨界二氧化碳會(huì)顯著提高巖樣的抗壓強(qiáng)度；④溫度升高會(huì)降低巖樣的脆性指數(shù)，但溫度繼續(xù)升高時(shí)脆性指數(shù)的降低幅度會(huì)變小。

2.4 圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

圍壓對(duì)巖樣巖石力學(xué)性質(zhì)的影響結(jié)果見(jiàn)表4,可以看出：在凈圍壓增大情況下，砂巖的楊氏模量先減小后增大，但整體波動(dòng)較小,在22～25 MPa內(nèi)；在凈圍壓增大情況下，砂巖的泊松比先稍有增大，然后明顯減??；在凈圍壓增大情況下，砂巖的抗壓強(qiáng)度先稍有減小，然后明顯增大；在凈圍壓增大情況下，砂巖的脆性指數(shù)先稍有減小，然后大幅降低。

表4 受?chē)鷫河绊懙膸r石力學(xué)參數(shù)

2.5 孔壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

孔壓對(duì)巖樣巖石力學(xué)性質(zhì)的影響結(jié)果見(jiàn)表5,可以看出,在孔壓增大情況下，砂巖的楊氏模量隨之減小，泊松比明顯增大，抗壓強(qiáng)度明顯減小，脆性指數(shù)隨之減小。

表5 受孔壓影響的巖石力學(xué)參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

圖4為蘇里格氣田致密砂巖氣井SL-1井實(shí)施超臨界二氧化碳?jí)毫训氖┕で€(xiàn)。該井埋深3 540 m，二氧化碳注入排量4.0～4.5 m3/min，加入支撐劑25 m3，累計(jì)注入二氧化碳426 m3,根據(jù)地面瞬時(shí)停泵壓力(15.8 MPa)計(jì)算得到瞬時(shí)停泵壓力梯度0.014 46 MPa/m(該區(qū)地層閉合壓力梯度約為0.014 5 MPa/m)，比常規(guī)壓裂瞬時(shí)停泵壓力梯度0.017 8 MPa/m降低明顯?？梢?jiàn)，采用超臨界二氧化碳?jí)毫褧r(shí)的瞬時(shí)停泵壓力遠(yuǎn)小于常規(guī)壓裂，進(jìn)而說(shuō)明超臨界二氧化碳能夠降低致密砂巖抗壓強(qiáng)度，提高致密砂巖脆性，最終降低地層最小主應(yīng)力值，這與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖4 蘇里格氣田致密砂巖氣井SL-1井超臨界二氧化碳?jí)毫咽┕で€(xiàn)

4 結(jié)論

基于高溫高壓三軸巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)展了超臨界二氧化碳對(duì)致密砂巖力學(xué)性質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)研究，得到以下認(rèn)識(shí)：

1) 超臨界二氧化碳能夠降低致密砂巖的抗壓強(qiáng)度、顯著提高致密砂巖的脆性，與飽和水條件相比，致密砂巖在超臨界二氧化碳飽和條件下，其抗壓強(qiáng)度降低近15%，楊氏模量降低近6%，泊松比增大近53%，脆性指數(shù)增大近53%。

2) 致密砂巖在超臨界二氧化碳飽和條件下，溫度升高時(shí)致密砂巖巖樣的抗壓強(qiáng)度和楊氏模量增大，泊松比和脆性指數(shù)減小；圍壓增大時(shí)砂巖的抗壓強(qiáng)度和楊氏模量先減小后增大，泊松比先稍有增大后明顯減小，脆性指數(shù)先稍有減小后大幅降低；孔壓增大時(shí)砂巖的抗壓強(qiáng)度和楊氏模量、脆性指數(shù)減小，泊松比增大。